Regeleinrichtung für eine Festwertregelung bei einer elektrischen Lichtbogenanordnung, insbesondere für die Regelung der Elektrodenstellung bei Schmelz- oder Legierungsöfen
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine Festwertregelung bei einer elektrischen Lichtbogenanordnung, insbesondere für die Regelung der Elektroden- stellung bei Schmelz- oder Legierungsöfen, bei welcher Einrichtung als Regelgrösse das Verhältnis von aus dem Lichtbogenstrom und der Lichtbogenspannung gewonnenen Gleichspannungen vorgesehen ist, mit einem Regler mit einer zur verzögerten Rückführung dienenden Widerstandsschaltung.
Bei der Elektrodenregelung eines Schmelz-Lichtbogenofens werden die Elektroden in einem solchen Abstand vom Bad gehalten, dass der Lichtbogenofen immer in seinem optimalen Betriebspunkt arbeitet. Bei einer bekannten Regelung ist als Sollwert ein bestimmtes Verhältnis zwischen Elektrodenstrom und Elektrodenspannung vorgegeben. Hierbei werden die Messwerte zur Beaufschlagung der Regeleinrichtung so abgenommen, dass der Elektrodenstrom über einen Wandler in eine stromproportionale Spannung umgewandelt und die Elektrodenspannung zwischen dem transformatorischen Ende der Stromzuführung zur Elektrode und dem Ofengefäss abgenommen wird. Die beiden Messwerte werden getrennt gleichgerichtet, und für einen Spannungsvergleich werden diese Gleichrichtwerte einem Spannungsteiler zugeführt, an dessen Teilwiderständen die Gleichrichtwerte gegensinnig zueinander wirken.
Die Spannungsdifferenz wird dem Eingang eines Reglers mit Schaltausgang zugeführt, dessen Ausgangsgrösse mittels Stellschritten eines Stellmotors oder eines elek- tromagnetisch betätigten hydraulischen Getriebes die Elektroden je nach dem Vorzeichen der Regelabweichung hebt oder senkt.
Es ist bekannt, dass mit grösser werdendem Abstand der Elektrode vom Bad die zeitliche Verschiebung zwischen dem Nulldurchgang der sinusförmigen Netzspannung und der rechteckförmig angenommenen Lichtbogenspannung abnimmt, wobei aber die Zündspannung steigt. Je nach Ionisationsgrad kann die erforderliche Zündspannung kleiner oder grösser als die zu diesem Zeitpunkt zur Verfügung stehende Netzspannung sein.
Falls die erforderliche Zündspannung grösser als die in diesem Augenblick zur Verfügung stehende Netzspannung ist, tritt in jeder Halbwelle eine zeitliche Verzögerung der Zündung auf. Durch die Perioden, in denen kein Lichtbogenstrom fliesst, stellt sich ein sehr unruhig brennender Lichtbogen ein, dessen Zündwinkel von dem Verhältnis des Wirkwiderstandes zum induktiven Widerstand des Lichtbogenstromkreises abhängt. Um für die optimale Betriebsführung einen stabil brennenden Bogen zu bekommen, wird die dem Elektrodenstrom proportionale, vom Wandler gelieferte Betriebsgrösse gegebenenfalls über einen Seriewiderstand einem Kondensator zugeführt, dessen Spannungsabfall als Ausgangsspannung zur Gewinnung eines der Gleichrichterwerte einer Brückengleichrichteranordnung zugeführt wird.
Ferner ist es bekannt, bei der Regeleinrichtung mit Schaltausgang mit einer verzögert arbeitenden Rückführung ein Zeitverhalten zu erzielen, so dass die gesamte Anordnung z. B. ein PI-Verhalten aufweist. In der Zeichnung zeigt die Figur 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Dreipunktreglers, der aus einem Schaltverstärker 1, einem integrierend arbeitenden Stellglied (Stellmotor) 2 und einer Rückführung 3 besteht, in der Zeitglieder mit RC-Kombinationen vorgesehen sind.
Eines der Zeitglieder mit einer Ladezeitkonstanten ist als Verzögerungsglied ausgebildet und enthält einen Kondensator, der bei Abschaltung der Regeleinrichtung in Abhängigkeit von einer Entladezeitkonstanten entladen wird. Zur Erläuterung der Wirkungsweise dient die Fig. 2. Wenn am Eingang eines solchen Reglers eine Regelabweichung x auftritt, dann wird über den Schaltverstärker 1 die Rückführgrösse xr nach einer e Funktion anwachsen. Auf der Ordinate sind die Regelabweichung xw und die entgegengesetzt gerichtete Rückführgrösse xr aufgetragen. Der Schaltverstärker bleibt so lange ausgesteuert, bis die Rückführgrösse Xr xT. xT xX - 2 ist, wobei 2 die halbe tote Zone des Schaltverstärkers 1 ist.
Bei Verschwinden der Stellgrösse yl entlädt sich der Kondensator mit der eingestellten Entladezeitkonstanten.
Die Differenz aus Regelabweichung und Rückführgrösse steigt wieder bis zum Einschaltpunkt des Reglers ab. Es folgt ein weiterer Regelschritt innerhalb der Hysterese des Schaltverstärkers, der aus der Regelabweichung eine Impulsfolge der Grösse yl erzeugt. Der dem Schaltverstärker nachgeschaltete Motor integriert die Schaltimpulse. Es ergibt sich als Stellgrösse y ein zeitlicher Verlauf, wie er in der Fig. 2 dargestellt ist. Der erste SchaltimpuIs verstellt das Stellglied um einen bestimmten Betrag, den man als P-Anteil der Über- gangsfunktion bezeichnen kann. An diesen schliesst ein treppenförmiger integraler Anteil an, dessen Steilheit durch die Eischaltzeit und Ausschaltzeit des Reglers gegeben ist.
Der P-Anteil kann zwar durch die Ladezeitkonstante einstellbar gemacht werden, aber bei grossen Regelabweichungen entsteht infolge des zeitlichen Verlaufs der Rückführgrösse nach einer e-Funktion eine nichtlineare Zunahme des P-Anteiles; es handelt sich um ein progressives Verhalten der Regeleinrichtung bei grossen Regelabweichungen. Bei einer wirtschaftlichen Ofenführung sind die Totzeiten und die Ansprechzeiten der Regeleinrichtung gering gehalten; ebenso ist bei verschiedenen Betriebszuständen des Ofens, z. B. bei Schrottzusammenbrüchen oder Einschmelzung sehr niedrig gekohlter Stähle, eine Geschwindigkeit für die Elektrodenstellung erforderlich, deren Wert einen Mindestwert nicht unterschreiten darf.
Durch diese grosse Elektrodenverstellgeschwindigkeit stellen sich für grosse Regelabweichungen bei der Anwendung der bekannten Regel einrichtungen mit Schaltausgang Einstellvorgänge der Elektroden ein, die durch bipolare Schaltspiele der Regeleinrichtung ausgelöst werden und die durch das progressive Verhalten der Regeleinrichtungen verursacht werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass bei zu grossem Abstand der Elektrode vom Badspiegel der schlecht brennende Lichtbogen abreisst. Durch das progressive Verhalten der Regeleinrichtung ;bei den vorstehend geschilderten Betriebszuständen ist eine wirtschaftliche Betriebsführung des Schmelz-Lichtbogenofens nicht gewährleistet.
Die Erfindung ermöglicht, bei einer Regeleinrichtung mit einem Schaltausgang den zeitlichen Verlauf der Rückführgrösse von der Grösse der Regelabweichung abhängig zu machen, um dadurch eine Verbesserung des Ofenbetriebes zu erzielen.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist die Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass an einen eine Rückführgrösse liefernden Ausgang des Reglers die Widerstandsschaltung angeschlossen ist, in welcher Widerstandsschaltung eine zur Veränderung der Ladezeitkonstanten der Rückführung dienende nichtlineare Widerstände enthaltennde Widerstadeskombination mit nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie an eine Kondensator angeschaltet ist, wobei der Gesamtwiderstandwert der Widerstandskombination bei Ansteigen der vom Regler gelieferten Rückführgrösse nichtlinear abnimmt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die nichtlineare, über ein Stromtor des Reglers, z. B. einen Thyristor, angeschlossene Widerstandskombination einen Widerstand auf, an den über durch Hilfsspannungen verschieden stark vorgespannte Dioden als Schaltstrecken weitere Widerstände geschalten werden, wenn die der Regelabweichung proportionale Rückführspannung die Schwellwerte der Dioden überschreitet.
Der Regler kann zweckmässig mit mindestens einem Schaltausgang für die Verstellung der Elektroden der Lichtbogenanordnung versehen sein, und die nichtlineare Widerstandskombination weist vorteilhafterweise mit dem in Serie geschalteten Kondensator eine Ladezeitkonstante der Rückführung auf, deren Wert kleiner ist als der derjenigen Entladezeitkonstanten, welche aus dem Wert der Kapazität des Kondensators und dem Wert eines zu diesem parallelliegenden Entladewiderstandes gebildet ist.
Das Wesen dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Regler neben dem Schaltausgang für den Stellmotor eine verzögerte Rückführung mit einem RC Schaltglied aufweist, deren Ladezeitkonstante in Abhängigkeit von der Grösse der Regelabweichung verkleinert wird. Bei relativ grossen Aussteuerungen des Reglers wird die Zeitkonstante der Rückführung entsprechend reduziert; je kleiner die Ladezeitkonstante ist, desto kleiner wird die Zeit sein, in der die Rückführgrösse xr den Wert erreicht, so dass sie die Regelabweichung xM,.
kompensiert. Dadurch wird bei Lichtbogenöfen trotz hoher Laufgeschwindigkeiten des Stellmotors und grosser Sprünge der Regelabweichung ein aperiodisch verlaufender Stellvorgang erzielt. Diese Stabilisierung der Regelvorgänge wird mit der nichtlinearen Rückführung hervorgerufen. Mit wenigen dem ersten nachfolgenden gleichartigen Stellschritten wird die Elektrodenstellung für den optimalen Betrieb des Ofens angefahren. Durch das nichtlineare Verhalten der Widerstandsschaltung werden Regelschwingungen zum Erreichen des erwünschten Betriebszustandes des Ofens bei grossen Regel abweichungen vermieden.
In der Fig. 3 ist eine verzögerte Rückführung mit einer Widerstandschaltung dargestellt, deren Ladezeitkonstante für grosse Regelabweichungen kleiner wird.
Dieses Verhalten der zur Ladung eines Kondensators dienenden Widerstandsschaltung wird mit einer nichtlinearen Kennlinie erreicht, die nach der Fig. 3 durch einen Polygonzug ersetzt wird. Die elektrische Nachbildung dieser Strom-Spannungskennlinie mit einer vorgegebenen Steilheit wird durch das Parallelschalten von Widerständen in Abhängigkeit von der Eingangsgrösse Yr erzielt, die der Regelabweichung xw proportional ist.
Für die elektrische Nachbildung dieses Polygonzuges besteht die Widerstandsschaltung aus einer Parallelschaltung, deren Widerstandselemente R',R", R"', RIV, ... durch mehr oder weniger vorgespannte Dioden D", D"', DIV zu- oder abgeschaltet werden können, sobald die Regelabweichung Xw bestimmte Werte über- oder unterschreitet. Es ist möglich, durch eine genügend grosse Anzahl vorgespannter Dioden eine praktisch ausreichende Annäherung an eine vorgegebene nichtlineare Kennlinie der Widerstadeskombination zu erreichen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Regeleinrichtung mit Dreipunktverhalten, bei der eine zur verzögerten Rückführung dienende Widerstandsschaltung mit Widerstand-Kondensator-Gliedern vorgesehen ist;
Fig. 2 einen Regelverlauf für die in Fig. 1 dargestellte Regeleinrichtung bei einem grossen Eingangssprung der Regelabweichung;
Fig. 3 eine zur verzögerten Rückführung dienende Widerstandsschaltung, in der zur Veränderung der Ladezeitkonstanten der Rückführung eine nichtlineare Widerstandskombination angeordnet ist;
Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Regeleinrichtung mit Dreipunktverhalten, bei der in der Rückführung eine nichtlineare Widerstandskombination nach der Fig. 3 vorgesehen ist;
;
Fig. 5 einen Regelverlauf für die in der Fig. 4 dargestellte Regeleinrichtung bei einem grossen Eingangssprung der Regelabweichung;
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung für die Regelung der Elektrodenstellung bei einem Lichtbogenofen mit einer Regeleinrichtung, bei der in der Rückführung nichtlineare Widerstandskombinationen gemäss der Fig.
3 vorgesehen sind.
Im Vorstehenden wurde bereits die Wirkungsweise für eine Regeleinrichtung mit einer verzögerten Rückführung an Hand der Fig. 1 und 2 geschildert. Nach der Ausführung der Fig. 3 weist die Widerstandskombination eine Strom-Spannungskennlinie auf, die einen Polygonzug darstellt und die daher einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Bei einer Rückführspannung y,, deren Wert grösser als U", aber kleiner als U"' ist, sind die Dioden D", D"' in Durchlassrichtung betrieben, und in der Widerstandskombination ergeben die parallelgeschalteten Teilwiderstände R', R", R"' einen reduzierten Wert der Widerstandskombination.
Durch dieses Verhalten der Widerstandskombination wird die Ladekonstante Tre bei grosser Rückführspannung yr entsprechend der Grösse der Eingangs sprünge der Regelabweichung Xw herabgesetzt, das heisst, es erfolgt ein rascherer Anstieg der Kondensatorspannung, die als Rückführspannung r' der Regelabweichung x, entgegengesetzt gerichtet und dem Eingang der Regelabweichung zugeführt ist.
Nach der Ausführung in Fig. 4 weist der Verstärker 5 der Regeleinrichtung zwei Ausgänge auf, von denen der eine ein Dreipunktverhalten mit Hysterese aufweist und der eine Ausgangsgrösse yl an einen integral gesteuerten Stellmotor 7 liefert. Je nach der Richtung der Regelabweichung xµ. ist die Drehrichtung des Stellmotors 7 festgelegt. Von dem anderen Ausgang 8 des Verstärkers 5 wird eine der Regelabweichung Xw proportionale Rückführgrösse-yr über ein Einschalttor 9 der nichtlinearen Widerstandskombination 10 zugeführt, deren Ladezeitkonstante Tre mit dem Anwachsen der Rückftihrgrösse y, abnimmt.
Je grösser der Eingangssprung der Regelabweichung xw ist, desto mehr nimmt die Grösse der Ladezeitkonstanten Tre ab, so dass, wie die Fig. 5 zeigt, bei einem grossen Eingangssprung der rasche Anstieg der Rückführgrösse x' einen Proportionalanteil yp' der Stellgrösse liefert, deren Wert dem Eingangssprung proportional bleibt, auch wenn diese Stellgrösse bis in die Nähe der oberen Grenze des Regelbereiches angewachsen ist. Dadurch entsteht bei grossem Eingangssprung x,r trotz grosser Drehgeschwindigkeit des Stellmotors 7 kein progressives Verhalten der Regeleinrichtung.
Nach einem Stellschritt yi mit längerer Zeitdauer, die im wesentlichen der Grösse der Regelabweichung proportional ist, sind gegebenenfalls noch wenige Stellimpulse kurzer Zeitdauer notwendig, deren Polarität gleich der des ersten Stellschrittes ist. Nach dem ersten längeren Stellschritt erfolgt eine Entladung des Kondensators mit einer fest eingestellten Entladezeitkonstanten Tra. Hiebei wächst die Summe aus der Regelabweichung Xw und der Rückführgrösse xr' wieder an bis zum Einschaltpunkt der Regeleinrichtung. Es ergibt sich ein Schaltspiel, das durch die Hysterese der Regeleinrichtung mit Dreipunktverhalten festgelegt ist.
An den linearen Teil der Kennlinie der Stellgrösse y schliesst ein kurzer treppenförmiger Teil an; dadurch wird über die nichtlineare Widerstandskombination in der Rückführung auch bei grossen Eingangssprüngen der Regelabweichung ein aperiodischer Regelverlauf erzielt.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Regelung der Elektrodenstellung sei im wesentlichen unter der Verwendung des Realteiles der Ofenimpedanz als Regelgrösse an Hand der Fig. 6 der Zeichnung erläutert.
In Fig. 6 ist mit 11 der Lichtbogenofen bezeichnet, dessen drei Elektroden 12, 13, 14 an je eine Phase U, V, W des nicht dargestellten Ofentransformators angeschlossen sind. Die Regeleinrichtung ist nur für die Phase W in der Fig. 6 wiedergegeben und für die beiden anderen Phasen analog zu ergänzen. In die Phasenzuleitung zur Elektrode 14 ist ein Stromwandler 15 eingeschaltet, der aus dem Elektrodenstrom eine proportionale Spannung erzeugt. Dagegen wird die Elektrodenspannung, die zwischen der Zuleitung der Elektrode 14 und dem Ofengefäss 11 abgegriffen wird, einem Stellwiderstand 16 zugeführt, dem eine Gleichrichterbrückenanordnung 17 nachgeschaltet ist. Im Sekundärstromkreis des Tromwandlers 15 ist ein einstellbarer Widerstand 18 als Last eingeschaltet.
Die an dem Widerstand 18 auftretende Spannung wird einem Spannungsteiler zugeführt, der aus der Serienschaltung eines Widerstandes 19 und eines Kondensators 20 besteht. Der am Widerstand 19 auftretende Spannungsfall dient zur Kompensation der Spannungsabfälle, die von dem Lichtbogenstrom in der Elektrodenzuleitung, in der Elektrode und von den Übergangswiderständen der Ofenteile erzeugt werden.
An die Enden des Widerstandes 19 ist die Primärwicklung eines Übertragers 21 geschaltet, an dessen Sekundärwicklung eine weitere Gleichrichterbrückenanordnung 22 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrückenanordnung 22 ist einem Widerstand 23 zugeführt und ist gegensinnig zur Ausgangsspannung der Gleichrichterbrückenanordnung 17 ge schaltet. An dem Spannungsteilerwiderstand 24 tritt eine Spannung auf, die der Spannung des Lichtbogens entspricht, weil mit der am Widerstand 23 liegenden Spannung eine Kompensation der im Ofen zusätzlich verursachten Spannungsabfälle erfolgt.
Zum Erreichen einer raschen Elektrodenregelung bei schlechten Leistungsfaktoren des Ofens ist der Kondensator 20 angeordnet, der eine Phasendrehung der dem Lichtbogenstrom proportionalen Spannung gestattet und der in Serie mit dem Widerstand 19 an den als Last des Stromwandlers 15 vorgesehenen Widerstand 18 angeschlossen ist. Dadurch wird im wesentlichen die in Richtung der unverketteten Phasen spannung des Ofens fallende Komponente des Lichtbogenstromes herangezogen und somit im wesentlichen der Realteil der Impedanz des Lichtbogens der Regelung zugrunde gelegt. Die Kondensatorspannung liegt bei Nennlast des Ofens in Phase mit der Ofenspannung. Bei anderen Betriebszustäden des Ofens tritt eine minimale Phasenverschiebung zwischen der Ofenspannung und der Kondensatorsannung auf; diese ist bei der Regelung praktisch vernachlässigbar.
Die am Kondensator 20 auftretende Spannung wird der Gleichrichterbrückenanordnung 25 zugeführt, deren Ausgang mit dem Spannungsteilerwiderstand 26 verbunden ist. Die beiden Spannungsteilerwiderstände 24, 26 sind in Serie geschaltet und die Differenz ihrer Spannungsabfälle bildet die Eingangsgrösse der Regeleinrichtung.
Die Regeleinrichtung für die Elektrodenstellung des Lichtbogenofens besteht aus einem Vorwärtsteil und einer verzögerten Rückführung, in der nichtlineare Widerstandskombinationen, wie in der Fig. 3 dargestellt, vorgesehen sind. Der Vorwärtsteil der Regeleinrichtung hat die Funktion eines Dreipunktschalters mit Hysterese und toter Zone; durch ihn wird je nach dem Vorzeichen der Regelabweichung über die Schütze 28, 29 der Stellmotor 30 im Links- oder Rechtslauf geschaltet. Der Stellmotor 30 steht mit dem Stellantrieb der Elektrode in Verbindung und verändert den Elektrodenabstand vom Badspiegel, solange bis der Nennbetriebszustand des Ofens erreicht ist.
Der Vorwärtsteil der Regeleinrichtung besteht aus den beiden Verstärkern 31, 32, die je einen der Grösse der Regelabweichung proportionalen Ausgang (Proportionalausgang) und einen Schaltausgang aufweisen. Von den Schaltausgängen der Verstärker 31, 32 sind jeweils einerseits Motorschütze 28 bzw. 29, andererseits Einschalttore 33, 34 betätigbar. Die Schalttore 33, 34, die aussteuerbaren Halbleiter-Gleichrichterzellen, z. B. Thyristoren, bestehen, liegen mit ihren Hauptanschlüssen in der Verbindungsleitung zwischen dem Proportionalausgang der Verstärker 31, 32, der eine Rückführgrösse liefert, und dem Eingang der verzögerten Rückführeinrichtungen, deren veränderbare Ladezeitkonstante dem Produkt der Grösse der nichtlinearen Widerstandskombination 35, 36 mit der Kapazität des Kondensators 37 proportional ist.
Die Widerstandskombinationen 35, 36, deren Wirkungsweise an Hand der Fig. 3 geschildert wurde, weisen einen Aufbau auf, der dem in Fig. 3 dargestellten entspricht. Je nach der Richtung der Regelabweichung wird eine der beiden Widerstandskombinationen über das Schalttor 33 bzw. 34 eingeschaltet.
Bei der Sperrung des Proportionalausganges der Verstärker 31 bzw. 32 entlädt sich der Kondensator 37 über den Widerstand 38 sowie eine diesem parallel liegende Serienschaltung, die aus einem Entkopplungswiderstand 39 und den beiden Spannnugsteilerwiderständen 24, 26 gebildet ist. Bei der verzögerten Rückführung ist der Wert der Entlade zeitkonstanten Tra wesentlich grösser als der der Ladezeitkonstanten Tre. Wenn die Spannungsdifferenz der beiden an den Widerständen 24, 26 auftretenden Spannungsabfälle Null ist, also keine Regelabweichung vorliegt, wird kein Motorschütz des Stellmotors 30 betätigt. Ist die Regelabweichung positiv und so gross, dass die Ansprechschwelle des Verstärkers 31 überschritten wird, so wird das Motorschütz 28 betätigt. Bei negativer Regelabweichung, die grösser als die Ansprechschwelle des Verstärkers 32 ist, schaltet das Motorschütz 29.
Über die Kontakte der Schütze 28, 29 wird gemäss der Regelabweichung die Netzspannung an den Stellmotor 30 gelegt und damit dessen Drehrichtung festgelegt.
Mit den nichtlinearen Widerstandskombinationen 35, 36 in der Rückführung weist die Regeleinrichtung ein Zeitverhalten auf, mit dem bei wachsender Regelabweichung der eingestellte Parameterwert des Proportionalanteiles im wesentlichen unverändert bleibt. Durch dieses Verhalten liefert die Regeleinrichtung bei Verdoppelung des Eingangssprunges der Regelabweichung eine doppelt so grosse Stellgrösse. Bei einer sprungförmig auftretenden Regelabweichung x, am Eingang der Verstärker 31 bzw. 32 steigt die Rückführgrösse Xr nach einer e-Funktion an, deren Verlauf in der Fig. 5 dargestellt ist.
Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, nimmt mit der Vergrösserung des Eingangssprunges die Ladezeitkonstante Tre der Rückführung ab, so dass bei Ansteigen der Rückführgrösse Xr in den oberen, nicht liearen Bereich ein erster Stellschritt für den Motor 30 gegeben ist, dessen Zeitdauer mit der Grösse des Eingangs sprunges xw in linearem Zusammenhang steht.
Die mit der beschriebenen Regeleinrichtung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit der nichtlinearen Widerstandskombination in der Rückführung ein aperiodischer Bewegungsablauf der Elektrodennachstellung erzielt wird, obwohl die Geschwindigkeit des Stellmotors eine aus wirtschaftlichen Überlegungen gegebene untere Grenze nicht unterschreitet und Abweichungen der Regelgrösse in Form von grossen Eingangssprüngen an der Regeleinrichtung auftreten.
Control device for a fixed value control in an electric arc arrangement, in particular for the control of the electrode position in melting or alloying furnaces
The invention relates to a control device for a fixed value control in an electric arc arrangement, in particular for the control of the electrode position in melting or alloying furnaces, in which device the ratio of direct voltages obtained from the arc current and the arc voltage is provided as a control variable, with a controller a resistor circuit used for delayed feedback.
When regulating the electrodes in a melting arc furnace, the electrodes are kept at such a distance from the bath that the arc furnace always works at its optimal operating point. In a known control system, a certain ratio between electrode current and electrode voltage is specified as the setpoint value. Here, the measured values to act on the control device are taken in such a way that the electrode current is converted into a current-proportional voltage via a converter and the electrode voltage is taken between the transformer end of the power supply to the electrode and the furnace vessel. The two measured values are rectified separately, and for a voltage comparison these rectified values are fed to a voltage divider, at whose partial resistances the rectified values act in opposite directions to one another.
The voltage difference is fed to the input of a controller with a switching output, the output variable of which raises or lowers the electrodes depending on the sign of the control deviation by means of adjusting steps of a servomotor or an electromagnetically operated hydraulic gear.
It is known that as the distance between the electrode and the bath increases, the time shift between the zero crossing of the sinusoidal mains voltage and the assumed square-wave arc voltage decreases, but the ignition voltage increases. Depending on the degree of ionization, the required ignition voltage can be smaller or larger than the mains voltage available at this point in time.
If the required ignition voltage is greater than the mains voltage available at that moment, there is a time delay in ignition in each half-wave. Due to the periods in which no arc current flows, a very restlessly burning arc occurs, the ignition angle of which depends on the ratio of the effective resistance to the inductive resistance of the arc circuit. In order to obtain a stable, burning arc for optimal operational management, the operating variable supplied by the converter, proportional to the electrode current, is optionally fed via a series resistor to a capacitor, the voltage drop of which is fed to a bridge rectifier arrangement as output voltage to obtain one of the rectifier values.
It is also known to achieve a time response in the control device with switching output with a delayed feedback so that the entire arrangement z. B. has a PI behavior. In the drawing, FIG. 1 shows a block diagram of a known three-point controller, which consists of a switching amplifier 1, an integrating actuator (servomotor) 2 and a feedback 3, in which timing elements with RC combinations are provided.
One of the timing elements with a charging time constant is designed as a delay element and contains a capacitor which is discharged when the control device is switched off depending on a discharge time constant. FIG. 2 serves to explain the mode of operation. If a control deviation x occurs at the input of such a controller, then the feedback variable xr will increase via the switching amplifier 1 according to an e function. The control deviation xw and the oppositely directed feedback variable xr are plotted on the ordinate. The switching amplifier remains modulated until the feedback variable Xr xT. xT xX - 2, where 2 is half the dead zone of switching amplifier 1.
When the manipulated variable yl disappears, the capacitor discharges with the set discharge time constant.
The difference between the control deviation and the feedback variable increases again up to the switch-on point of the controller. Another control step follows within the hysteresis of the switching amplifier, which generates a pulse train of the size yl from the control deviation. The motor connected downstream of the switching amplifier integrates the switching pulses. The manipulated variable y is a time curve, as shown in FIG. The first switching impulse adjusts the actuator by a certain amount, which can be referred to as the P component of the transition function. This is followed by a step-shaped integral part, the steepness of which is given by the switch-on time and switch-off time of the controller.
The P component can be made adjustable by means of the charging time constant, but in the case of large system deviations, a non-linear increase in the P component occurs due to the time course of the feedback variable after an exponential function; it is a progressive behavior of the control device in the event of large control deviations. When the furnace is operated economically, the dead times and the response times of the control device are kept low; also is in different operating states of the furnace, z. B. in the case of scrap collapses or the melting of very low carbon steels, a speed for the electrode position is required whose value must not fall below a minimum value.
This high electrode adjustment speed results in large control deviations when using the known control devices with a switching output. These electrode adjustments are triggered by bipolar switching cycles of the control device and are caused by the progressive behavior of the control devices. However, there is also the possibility that if the electrode is too far away from the bath surface, the poorly burning arc will break off. Due to the progressive behavior of the control device; in the operating states described above, economical operation of the melting-arc furnace is not guaranteed.
The invention makes it possible, in the case of a control device with a switching output, to make the time course of the feedback variable dependent on the size of the control deviation in order to thereby achieve an improvement in furnace operation.
To achieve the above object, the control device of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention in that the resistor circuit is connected to an output of the regulator that supplies a feedback variable, in which resistor circuit a resistance combination with non-linear current-voltage characteristic curve containing a non-linear resistor combination serving to change the charging time constants of the feedback is connected to a capacitor, the total resistance value of the resistor combination decreasing non-linearly as the feedback quantity supplied by the controller increases.
In a particularly advantageous embodiment of the invention, the non-linear, via a current gate of the controller, for. B. a thyristor, connected resistor combination on a resistor to which additional resistors are connected via diodes biased by auxiliary voltages as switching paths, if the feedback voltage proportional to the control deviation exceeds the threshold values of the diodes.
The controller can expediently be provided with at least one switching output for adjusting the electrodes of the arc arrangement, and the non-linear resistor combination advantageously has a charging time constant of the feedback with the capacitor connected in series, the value of which is smaller than that of the discharge time constant which is derived from the value of the Capacity of the capacitor and the value of a discharge resistor lying parallel to this is formed.
The essence of this embodiment is that the controller has, in addition to the switching output for the servomotor, a delayed feedback with an RC switching element, the charging time constant of which is reduced depending on the size of the control deviation. In the case of relatively large modulation of the controller, the time constant of the feedback is reduced accordingly; the smaller the charging time constant, the shorter the time it will take for the feedback variable xr to reach the value so that it exceeds the control deviation xM ,.
compensated. As a result, an aperiodic adjusting process is achieved in the case of electric arc furnaces despite the high running speeds of the servomotor and large jumps in the control deviation. This stabilization of the control processes is brought about with the non-linear feedback. The electrode position for optimal operation of the furnace is approached with just a few of the first following similar setting steps. Due to the non-linear behavior of the resistance circuit, control oscillations to achieve the desired operating state of the furnace are avoided in the event of large control deviations.
In FIG. 3, a delayed feedback with a resistor circuit is shown, the charging time constant of which becomes smaller for large control deviations.
This behavior of the resistor circuit used to charge a capacitor is achieved with a non-linear characteristic curve which, according to FIG. 3, is replaced by a polygon. The electrical simulation of this current-voltage characteristic with a given slope is achieved by connecting resistors in parallel as a function of the input variable Yr, which is proportional to the control deviation xw.
For the electrical simulation of this polygon, the resistance circuit consists of a parallel circuit whose resistance elements R ', R ", R"', RIV, ... can be switched on or off by more or less biased diodes D ", D" ', DIV as soon as the control deviation Xw exceeds or falls below certain values. It is possible to achieve a practically sufficient approximation to a given nonlinear characteristic of the resistor combination by using a sufficiently large number of biased diodes.
An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. Show it
1 shows a simplified block diagram of a control device with three-point behavior, in which a resistor circuit with resistor-capacitor elements is provided for delayed feedback;
FIG. 2 shows a control curve for the control device shown in FIG. 1 with a large input jump in the control deviation; FIG.
3 shows a resistor circuit used for delayed feedback, in which a non-linear resistor combination is arranged to change the charging time constant of the feedback;
4 shows a simplified block diagram of a control device with three-point behavior, in which a non-linear resistor combination according to FIG. 3 is provided in the feedback;
;
FIG. 5 shows a control curve for the control device shown in FIG. 4 with a large input jump in the control deviation; FIG.
6 shows a circuit arrangement for regulating the electrode position in an electric arc furnace with a regulating device in which non-linear resistance combinations according to FIG.
3 are provided.
In the above, the mode of operation for a control device with delayed feedback has already been described with reference to FIGS. 1 and 2. According to the embodiment of FIG. 3, the resistor combination has a current-voltage characteristic curve which represents a polygon and which therefore has a non-linear profile. With a feedback voltage y ,, whose value is greater than U "but less than U" ', the diodes D ", D"' are operated in the forward direction, and in the resistor combination the parallel-connected partial resistances R ', R ", R" 'a reduced value of the resistor combination.
As a result of this behavior of the resistor combination, the charging constant Tre is reduced when the feedback voltage yr is high in accordance with the size of the input jumps in the control deviation Xw, i.e. there is a more rapid rise in the capacitor voltage, which is directed opposite the feedback voltage r 'of the control deviation x and the input of the Control deviation is supplied.
According to the embodiment in FIG. 4, the amplifier 5 of the control device has two outputs, one of which has a three-point response with hysteresis and which supplies an output variable y 1 to an integrally controlled servomotor 7. Depending on the direction of the control deviation xµ. the direction of rotation of the servomotor 7 is determined. From the other output 8 of the amplifier 5, a feedback variable-yr proportional to the control deviation Xw is fed via a switch-on gate 9 to the non-linear resistor combination 10, the charging time constant Tre of which decreases as the feedback variable y increases.
The larger the input jump in the control deviation xw, the more the size of the charging time constant Tre decreases, so that, as FIG. 5 shows, with a large input jump the rapid increase in the feedback variable x 'supplies a proportional component yp' of the manipulated variable, its value remains proportional to the input jump, even if this manipulated variable has grown close to the upper limit of the control range. With a large input jump x, r there is no progressive behavior of the control device despite the high rotational speed of the servomotor 7.
After an actuating step yi with a longer duration, which is essentially proportional to the size of the control deviation, a few actuating pulses of a short duration may be necessary, the polarity of which is the same as that of the first actuating step. After the first, longer setting step, the capacitor is discharged with a fixed discharge time constant Tra. The sum of the control deviation Xw and the feedback variable xr 'increases again up to the switch-on point of the control device. The result is a switching cycle that is determined by the hysteresis of the control device with three-point behavior.
The linear part of the characteristic curve of the manipulated variable y is followed by a short, step-shaped part; as a result, an aperiodic control curve is achieved via the non-linear resistor combination in the feedback, even with large input jumps in the control deviation.
An exemplary embodiment for regulating the position of the electrodes will be explained essentially using the real part of the furnace impedance as the controlled variable with reference to FIG. 6 of the drawing.
In Fig. 6, 11 denotes the arc furnace, the three electrodes 12, 13, 14 of which are each connected to a phase U, V, W of the furnace transformer, not shown. The control device is only shown for phase W in FIG. 6 and is to be supplemented analogously for the other two phases. A current transformer 15, which generates a proportional voltage from the electrode current, is connected to the phase lead to the electrode 14. In contrast, the electrode voltage, which is tapped between the lead to the electrode 14 and the furnace vessel 11, is fed to a variable resistor 16, which is followed by a rectifier bridge arrangement 17. In the secondary circuit of the current transformer 15, an adjustable resistor 18 is switched on as a load.
The voltage appearing at the resistor 18 is fed to a voltage divider which consists of the series connection of a resistor 19 and a capacitor 20. The voltage drop occurring at the resistor 19 serves to compensate for the voltage drops that are generated by the arc current in the electrode lead, in the electrode and by the contact resistances of the furnace parts.
The primary winding of a transformer 21 is connected to the ends of the resistor 19, and a further rectifier bridge arrangement 22 is connected to the secondary winding of the transformer. The output voltage of the rectifier bridge arrangement 22 is fed to a resistor 23 and is switched in the opposite direction to the output voltage of the rectifier bridge arrangement 17. A voltage occurs across the voltage divider resistor 24 which corresponds to the voltage of the arc, because the voltage across the resistor 23 compensates for the voltage drops additionally caused in the furnace.
In order to achieve rapid electrode regulation when the furnace performance factors are poor, the capacitor 20 is arranged, which allows a phase rotation of the voltage proportional to the arc current and which is connected in series with the resistor 19 to the resistor 18 provided as the load of the current transformer 15. As a result, essentially the component of the arc current that falls in the direction of the non-chained phase voltage of the furnace is used, and the control is thus essentially based on the real part of the impedance of the arc. The capacitor voltage is in phase with the furnace voltage at the nominal load of the furnace. In other operating states of the furnace, a minimal phase shift occurs between the furnace voltage and the capacitor voltage; this is practically negligible for the regulation.
The voltage occurring at the capacitor 20 is fed to the rectifier bridge arrangement 25, the output of which is connected to the voltage divider resistor 26. The two voltage divider resistors 24, 26 are connected in series and the difference in their voltage drops forms the input variable of the control device.
The control device for the electrode position of the arc furnace consists of a forward part and a delayed return, in which non-linear resistance combinations, as shown in FIG. 3, are provided. The forward part of the control device has the function of a three-point switch with hysteresis and dead zone; through it, depending on the sign of the system deviation, the servomotor 30 is switched to the left or right via the contactors 28, 29. The servomotor 30 is connected to the servomotor of the electrode and changes the distance between the electrodes and the bath level until the furnace has reached its nominal operating state.
The forward part of the control device consists of the two amplifiers 31, 32, each having an output proportional to the size of the control deviation (proportional output) and a switching output. From the switching outputs of the amplifiers 31, 32, on the one hand, motor contactors 28 and 29, respectively, and on the other hand, switch-on gates 33, 34 can be actuated. The switching gates 33, 34, the controllable semiconductor rectifier cells, for. B. thyristors exist, are with their main connections in the connecting line between the proportional output of the amplifier 31, 32, which supplies a feedback variable, and the input of the delayed feedback devices, whose variable charging time constant is the product of the size of the non-linear resistor combination 35, 36 and the capacitance of the capacitor 37 is proportional.
The resistor combinations 35, 36, the mode of operation of which has been described with reference to FIG. 3, have a structure which corresponds to that shown in FIG. 3. Depending on the direction of the control deviation, one of the two resistor combinations is switched on via the switching gate 33 or 34.
When the proportional output of the amplifiers 31 and 32 is blocked, the capacitor 37 discharges via the resistor 38 and a series circuit that is parallel to this and is formed from a decoupling resistor 39 and the two voltage divider resistors 24, 26. In the case of delayed return, the value of the discharge time constant Tra is significantly greater than that of the charge time constant Tre. If the voltage difference between the two voltage drops occurring at the resistors 24, 26 is zero, that is to say there is no control deviation, no motor contactor of the servomotor 30 is actuated. If the control deviation is positive and so large that the response threshold of the amplifier 31 is exceeded, the motor contactor 28 is actuated. In the event of a negative control deviation that is greater than the response threshold of amplifier 32, motor contactor 29 switches.
The mains voltage is applied to the servomotor 30 via the contacts of the contactors 28, 29 in accordance with the control deviation, and thus its direction of rotation is determined.
With the non-linear resistor combinations 35, 36 in the feedback, the control device has a time response with which the set parameter value of the proportional component remains essentially unchanged as the control deviation increases. As a result of this behavior, the control device delivers a manipulated variable that is twice as large when the input jump of the control deviation is doubled. If the control deviation x occurs suddenly at the input of the amplifier 31 or 32, the feedback variable Xr increases according to an exponential function, the course of which is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 3, the charging time constant Tre of the feedback decreases with the increase in the input jump, so that when the feedback variable Xr increases in the upper, non-linear area, a first step is given for the motor 30, the duration of which is with it the size of the input jump xw is linearly related.
The advantages achieved with the control device described are, in particular, that with the non-linear resistance combination in the feedback, an aperiodic movement sequence of the electrode adjustment is achieved, although the speed of the servomotor does not fall below a lower limit given for economic considerations and deviations in the controlled variable in the form of large input jumps occur at the control device.